Physik Step 45 (neu)

Lernkarten zu Step 45 des Grundlagenfachs Physik: Brown'sche Bewegung und Gase (Aggregatzustände, Diffusion, ideales Gasgesetz, Boltzmann-Konstante).

Lernkarten zu Step 45 des Grundlagenfachs Physik: Brown'sche Bewegung und Gase (Aggregatzustände, Diffusion, ideales Gasgesetz, Boltzmann-Konstante).


R. H.
Cartes-fiches
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Langue
Allemand
Catégorie
Physique
Niveau
Collège
Créé / Mis à jour
23.10.2026 / 23.10.2026

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Was ist die Brown'sche Bewegung?

Die unregelmässige, nie endende Zitterbewegung kleiner schwebender Teilchen (z. B. Pollenkörner in Wasser) auf einer Zickzackbahn – ohne Anstoss von aussen und ohne Strömung.

Wie erklärt man die Brown'sche Bewegung aus der Atombewegung?

Die viel kleineren, unsichtbaren Wasserteilchen bewegen sich ständig und prallen aus zufälligen Richtungen auf das Korn; die Stösse heben sich nie ganz auf, das Korn wird fortwährend hin und her geschubst. Je wärmer, desto heftiger das Zittern.

Wie bewegen sich die Teilchen in den drei Aggregatzuständen?

Festkörper: dicht, an feste Plätze gebunden, schwingen nur (Vibration). Flüssigkeit: dicht, aber die Teilchen gleiten aneinander vorbei. Gas: weit auseinander, die Teilchen fliegen frei, schnell und ungeordnet.

Was ist Vibration? Nenne ein Beispiel.

Das Schwingen eines Teilchens um seinen festen Platz, typisch für Festkörper – z. B. wird der Griff eines Stahllöffels im heissen Tee warm, weil die Atome ihre Schwingung an die Nachbarn weitergeben.

Was ist Diffusion? Nenne ein Beispiel.

Die selbstständige Durchmischung zweier Stoffe allein durch die Teilchenbewegung, ohne Rühren – z. B. verteilt sich ein Tintentropfen von selbst im Wasser oder Parfümduft im Zimmer.

In welchem Aggregatzustand ist die Diffusion schnell, in welchem langsam?

Im Gas schnell (frei fliegende, schnelle Teilchen), in der Flüssigkeit langsam (dicht gepackte Teilchen); im Festkörper praktisch keine Diffusion.

Warum verdunstet Wasser schon bei Raumtemperatur, obwohl es erst bei 100 °C siedet?

Die Temperatur gibt nur die mittlere Bewegungsenergie an. In der Geschwindigkeitsverteilung (Maxwell-Boltzmann) gibt es stets einen kleinen Anteil besonders schneller Teilchen, die sich aus der Oberfläche lösen und als Gas entweichen.

Warum kühlt Verdunstung die zurückbleibende Flüssigkeit ab?

Weil gerade die schnellsten Teilchen entweichen; die langsameren bleiben zurück, die mittlere Geschwindigkeit und damit die Temperatur sinkt (darum kühlt Schwitzen).

Welche vier Eigenschaften hat ein ideales Gas?

1. Die Teilchen sind winzig (Eigenvolumen vernachlässigbar). 2. Keine Kräfte zwischen den Teilchen ausser bei Stössen. 3. Freie, schnelle, völlig ungeordnete Bewegung. 4. Alle Stösse sind vollkommen elastisch.

Wie entsteht der Druck eines Gases im Teilchenbild?

Die Gasteilchen prallen unaufhörlich auf die Behälterwand; jeder elastische Aufprall kehrt die Bewegungsrichtung um (Impulsänderung) und überträgt einen winzigen Kraftstoss. Die Summe unzähliger Stösse ergibt eine Kraft auf die Wand: p = F / A.

Wovon hängt der Gasdruck im Teilchenbild ab?

Mehr Teilchen pro Volumen → mehr Stösse → höherer Druck (Aufpumpen). Höhere Temperatur → schnellere Teilchen → kräftigere und häufigere Stösse → höherer Druck (Spraydose in der Sonne).

Wie lautet das theoretische ideale Gasgesetz aus dem Teilchenmodell?

p ⋅ V = ⅓ ⋅ N ⋅ m ⋅ v̄² (N = Teilchenzahl, m = Masse eines Teilchens, v̄² = Mittelwert der quadrierten Geschwindigkeit)

Woher kommt der Faktor ⅓ im theoretischen Gasgesetz?

Die Teilchen bewegen sich in alle drei Raumrichtungen gleichberechtigt: v̄² = v̄_x² + v̄_y² + v̄_z², also ist der Anteil in x-Richtung v̄_x² = ⅓ ⋅ v̄².

Wie lautet das Gasgesetz, ausgedrückt mit der mittleren kinetischen Energie der Teilchen?

p ⋅ V = ⅔ ⋅ N ⋅ Ē_kin, mit Ē_kin = ½ ⋅ m ⋅ v̄² – der Druck ist ein Mass für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen.

Wie lautet das experimentelle ideale Gasgesetz, und was bedeuten die Grössen?

p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T: p Druck (Pa), V Volumen (m³), n Stoffmenge (mol), T absolute Temperatur (K), R = 8,314 J/(mol⋅K) universelle Gaskonstante (Formelsammlung).

Worin unterscheiden sich theoretisches und experimentelles Gasgesetz?

Theoretisch (p ⋅ V = ⅓ ⋅ N ⋅ m ⋅ v̄²): aus dem Teilchenmodell hergeleitet, mikroskopische Grössen. Experimentell (p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T): aus Messungen, makroskopische Grössen (Druck, Volumen, Temperatur, Stoffmenge).

Ein Gas mit n = 0,10 mol hat bei ϑ = 27,0 °C das Volumen V = 2,0 ⋅ 10⁻³ m³. Welchen Druck hat es?

T = 27,0 + 273,15 = 300 K; p = n ⋅ R ⋅ T / V = 0,10 mol ⋅ 8,314 J/(mol⋅K) ⋅ 300 K / (2,0 ⋅ 10⁻³ m³) ≈ 1,2 ⋅ 10⁵ Pa

Welche drei Spezialfälle gelten bei konstanter Gasmenge, und was bleibt jeweils konstant?

Isotherm (T konstant): p ⋅ V = konst. (Boyle-Mariotte). Isochor (V konstant): p / T = konst. Isobar (p konstant): V / T = konst. Allgemein: p₁ ⋅ V₁ / T₁ = p₂ ⋅ V₂ / T₂

Eine Luftblase hat am Seegrund V₁ = 1,0 mL bei p₁ = 2,0 ⋅ 10⁵ Pa; an der Oberfläche herrscht p₂ = 1,0 ⋅ 10⁵ Pa (gleiche Temperatur). Volumen oben?

Isotherm (Boyle-Mariotte): V₂ = p₁ ⋅ V₁ / p₂ = 2,0 ⋅ 10⁵ Pa ⋅ 1,0 mL / (1,0 ⋅ 10⁵ Pa) = 2,0 mL – die Blase verdoppelt ihr Volumen.

In einem starren Behälter herrscht bei T₁ = 300 K der Druck p₁ = 1,0 ⋅ 10⁵ Pa. Er wird auf T₂ = 360 K erwärmt. Neuer Druck?

Isochor: p₂ = p₁ ⋅ T₂ / T₁ = 1,0 ⋅ 10⁵ Pa ⋅ 360 K / 300 K = 1,2 ⋅ 10⁵ Pa

Welche zwei Fehler sind beim Rechnen mit dem Gasgesetz am häufigsten?

1. Temperatur in Celsius statt Kelvin einsetzen – im Gasgesetz steht immer die absolute Temperatur. 2. Nicht zuerst klären, welche Grösse konstant bleibt (isotherm, isochor oder isobar).

Wie leitet man die Boltzmann-Konstante k her, und wie gross ist sie?

Mit N = n ⋅ N_A wird p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T zu p ⋅ V = N ⋅ (R / N_A) ⋅ T; also k = R / N_A = 8,314 J/(mol⋅K) / (6,022 ⋅ 10²³ 1/mol) = 1,381 ⋅ 10⁻²³ J/K

Wie lautet das ideale Gasgesetz in mikroskopischer Form (mit der Teilchenzahl N)?

p ⋅ V = N ⋅ k ⋅ T (N = Teilchenzahl, k = Boltzmann-Konstante) – beschreibt dasselbe Gas wie p ⋅ V = n ⋅ R ⋅ T

Wie gross ist die mittlere kinetische Energie eines Gasteilchens, z. B. bei T = 300 K?

Ē_kin = 3/2 ⋅ k ⋅ T = 3/2 ⋅ 1,381 ⋅ 10⁻²³ J/K ⋅ 300 K = 6,21 ⋅ 10⁻²¹ J – proportional zur absoluten Temperatur, unabhängig von der Gassorte.

Étudier